Какие металлы используются в строительстве

Обновлено: 04.10.2024

Чугун содержит около 93% железа, от 2,14 до 5% углерода и небольшие примеси кремния (0,5 - 4%), марганца (1 - 3%), фосфора (0,02 -2,5%) и серы (0,005 - 0,08%).

В зависимости от условий охлаждения при получении, различают два вида чугуна: белый и серый. При быстром охлаждении образуется белый чугун, в котором углерод содержится в виде карбида железа - цементита Fе₃С. Он обладает высокой твердостью, но хрупок, поэтому в основном его перерабатывают в сталь, и называют передельным. При медленном охлаждении жидкого чугуна углерод выделяется в виде графита, образующийся при этом чугун имеет серый цвет, потому называется серым чугуном.

Чугун используют в основном для получения стали, на это расходуется примерно 80 - 85% всего чугуна. В то же время чугун - наиболее распространенный литейный сплав.

Сталь является основой промышленного производства и строительства. Сталь по сравнению с чугуном имеет лучшие механические свойства. По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. Содержание углерода (С) в составе стали меньше 2,14%.

В углеродистых сталях кроме углерода обычно содержится до 0,7% марганца (Мп), 0,4% кремния (Si), 0,04% серы (S) и 0,035% фосфора (Р). Высокоуглеродистые стали содержат более 0,6% углерода (С); среднеуг-леродистые 0,25 - 0,6% С и низкоуглеродистые - менее 0,25% С.

Строительные сталисодержат до 0,3% углерода (С), машиностроительные 0,025 - 0,5% >, пружинные 0,5 - 0,8% > , инструментальные 0,7 -1,3% углерода. С увеличением содержания углерода повышаются твёрдость, прочность, улучшается обработка резанием, но снижается пластичность стали и одновременно ухудшается свариваемость.

Сера и фосфор являются вредными примесями. Сера ухудшает пластичность и вязкость, придает стали хрупкость при высоких температурах. Чем меньше содержание серы в стали, тем она качественнее. Фосфор также ухудшает пластичность и вязкость стали и вызывает хладноломкость, то есть склонность к образованию трещин при температурах ниже 20°.

Марганец нейтрализует вредное влияние серы. Он растворяется в кристаллитах железа (феррите)и цементите (Fe₃C)и повышает прочность стали. Содержание кремния также повышает прочность стали.

Для изготовления строительной арматуры, металлоконструкций для мостов обычно применяют низкоуглеродистые стали. Листовую низкоуглеродистую сталь используют для изготовления резервуаров, трубопроводов и других изделий. Она хорошо сваривается, имеет высокую ударную вязкость, малочувствительна к концентрации напряжений.

Легированные стали подразделяются на низколегированные с общим содержанием легирующих добавок до 2,5%, среднелегированные - от 2,5 до 10% и высоколегированные - выше 10%. В качестве легирующих добавок чаще всего применяют Ni, Сг, Mn, Si, W, Mo, Ti, V, Со. Сталь может содержать одновременно несколько легирующих металлов.

Низколегированные строительные стали обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью. Низколегированные стали широко применяют в строительстве для изготовления различных сварных и клёпаных конструкций, для армирования железобетонных изделий.

Из цветных металлов наиболее широкое применение в строительстве находят сплавы на основе алюминия и меди.

Алюминий (Al) - лёгкий (плотность 2,7 г/см 3 ) серебристо-белый металл с температурой плавления 657°. Алюминий на воздухе моментально покрывается очень тонкой и прочной оксидной пленкой А1₂О₃, защищающей металл от дальнейшего окисления и действия воды. Вода не действует на алюминий даже при повышенной температуре. Поэтому он устойчив к атмосферной коррозии. Однако алюминий разрушается и щелочами, и кислотами. По объему производства алюминий занимает второе место среди металлов, после железа. В строительстве и машиностроении используется около половины получаемого алюминия.

В чистом виде алюминий применяют для изготовления фольги, проволоки, порошка. Алюминиевую фольгу (альфоль) используют в качестве эффективного утеплителя (для отражения тепловых лучей) или декоративного материала. Проволоку используют для изготовления электрических проводов, алюминиевый порошок - в качестве наполнителя в красках или газообразователя при изготовлении ячеистых бетонов. Чистый алюминий из-за невысокой прочности в качестве конструкционного материала в строительстве практически не используют. В этих целях обычно применяют сплавы алюминия.

Алюминиевые сплавы сохраняют легкость (плотность до 3,0 г/см 3 ), коррозионную стойкость и пластичность при низких температурах. При этом прочность некоторых марок алюминиевых сплавов сопоставима с прочностью сталей. Сплавы легко обрабатываются резанием и свариваются контактной сваркой.

Недостатками алюминиевых сплавов являются сравнительно низкий модуль упругости, высокий коэффициент линейного расширения и относительная сложность соединения элементов конструкций.

В зависимости от состава алюминиевые сплавы делят на: Al - Si (силумины); А1 - Mg (магналии); А1 - Сu - Mg (дюралюмины); Al - Mg - Si (авиали) и более сложные (многокомпонентные) с улучшенными свойствами: высокопрочные (А1 - Zn - Mg - Сu, Al - Сu – Li или Al - Сu - Mg - Li), жаропрочные (Al - Сu - Мn или Al - Сu - Mg - Fe - Ni), коррозионностойкие (для работы в морской воде и агрессивных средах). Для производства таких сплавов в качестве легирующих металлов используют хром, цирконий, цинк, никель, литий и др.

Для изготовления строительных изделий из алюминиевых сплавов наиболее широко применяются сплавы с магнием, медью, кремнием, марганцем.

По способу обработки алюминиевые сплавы делят на литейные и деформируемые.

Литейные сплавы используют для получения изделий методами литья в различные формы. Наиболее распространенными литейными алюминиевыми ставами являются сплавы с кремнием или магнием - силумины или магналии.

В частности, литейный сплав с содержанием магния 9,5 - 11,5%, применяют в строительных конструкциях, успешно заменяя аналогичные стальные изделия.

Деформируемые сплавы подвергают горячей и холодной обработке давлением: прессованию, штамповке, ковке, прокатке. Так получают листы, профили, проволоку, прутки и т.д.

Алюминиевые деформируемые сплавы подразделяют на сплавы, не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Высокопрочные не упрочняемые термически сплавы Al - Mg - Mn могут содержать 2 - 7% магния и 1,0 - 1,6% марганца. Их упрочняют деформацией в холодном состоянии.

В строительстве не упрочняемые термически алюминиевые сплавы применяют как для изготовления несущих конструкций (балки, арки, фермы, рамы), так и для малонагруженных и ненагруженных элементов (дверные и оконные переплеты, стеновые панели, арматурные детали).

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой, приобретают высокие механические свойства и коррозионную стойкость только в результате термической обработки.

Наиболее широко распространенными из них являются дюралюмины А1 - Сu - Mg (содержание меди: 2,2 - 4,0%; магния 0,4 - 2,4%), содержащие также небольшие количества марганца (0,3 - 0,9%). В результате термообработки прочность дюралюмина повышается до прочности среднеуглеродистых сталей. Дюралюмин широко применяется в строительстве, в авиационной и ракетной промышленности.

Медь (Си) - мягкий, пластичный, ковкий металл красно-розового цвета с характерным металлическим блеском, плотностью 8,92 г/см 3 , температурой плавления 1083°.

Чистую медь в качестве конструкционного материала применяют редко вследствие недостаточной прочности. Более 30% меди применяют в виде сплавов, важнейшие из которых - бронзы, латуни, томпаки.

Сплавы меди с цинком называют латунями, или томпаками. Томпаки содержат до 10% цинка, латуни - более 20% цинка. Латуни по сравнению с чистой медью, являются более прочными и твердыми, более устойчивыми к коррозии. Максимальной прочностью обладают латуни, содержащие 42 – 45% цинка, наибольшей пластичностью обладают латуни с содержанием цинка 30 – 32 %.

Дополнительное легирование латуни с использованием алюминия, марганца, олова, никеля или кремния позволяет получить специальные марки латуни, не уступающие по прочности среднеуглеродистой стали.

Латуни делят на деформируемые и литейные. Применяют латуни для изготовления арматуры, труб, проволоки, втулок, подшипников; фольги.

Бронзы - сплавы меди с различными металлами (кроме цинка и никеля), чаще всего - с оловом, бериллием, алюминием. Бронзы превосходят чистую медь по прочности и коррозионной стойкости. Для многих бронз характерны высокие прочность, износостойкость, упругость, ударная вязкость, антифрикционные свойства.

Оловянная бронза - это древнейший из сплавов, полученных людьми. Однако специальные (не содержащие олова) бронзы имеют лучшие механические свойства, дешевле и находят широкое применение. Так, алюминиевые бронзы (содержат 4-11,5% А1) обладают повышенной коррозионной стойкостью; бериллиевые бронзы (содержат от 1,6 до 2,2% Be) имеют высокую прочность и стойкость к коррозии, хорошую пластичность и антифрикционные свойства.

Различные бронзы широко используют для изготовления сантехнической арматуры, пружин, труб, различных изделий бытового назначения, колоколов, монет и т.д..

Металл в строительстве: от меди до стали

Периодическая система элементов Менделеева насчитывает 82 металла, многие из которых, благодаря своим уникальным свойствам, находят применение в строительстве. Но если когда-то металл использовался, в основном, для изготовления кровельных покрытий и отдельных элементов крепежа, то по мере развития технологий его значимость для стройиндустрии становится все выше. Например, можно смело утверждать, что сегодня стальные конструкции являются основой любой капитальной постройки. Совершив небольшой экскурс, можно проследить эволюцию металла в строительстве.

Исторический экскурс

Это очень прочный металл, благодаря формированию голубовато-зелёной патины слабо подверженный коррозии, а потому способный служить долго. В качестве кровельного материала листовую медь использовали потому, что она легче деревянной черепицы и уж тем более — глиняной черепицы или свинца. Немаловажно также и то, что медь достаточно легко гнётся, что позволяло использовать ее для облицовки куполов и других фигурных элементов, которыми обычно украшали кровли культовых построек.

Помимо кровли медь издавна используется ещё и в декоративных целях, а также как материал для создания памятников и монументов. В частности, именно она послужила основным материалом для Статуи Свободы. Медные сплавы, широко используемые в архитектуре — это бронза (сплав меди и олова) и латунь (сплав меди и цинка).

К недостаткам меди можно отнести её крайне высокую стоимость, которая растёт год от года, а также свойство со временем терять свой первозданный яркий цвет и характерный блеск: покрываясь патиной, медь стремительно тускнеет и приобретает характерный зелёный оттенок.

Забегая немного вперёд, можно отметить, что решение «медной проблемы» в наши дни найдено: натуральный металл сегодня всё чаще заменяют достоверной имитацией из стали с полимерным покрытием, о которой пойдет речь чуть позже. Например, сталь с двусторонним покрытием Agneta, в точности имитирующим цвет и блеск меди благодаря включённым в состав красителя микросферам, втрое дешевле своего прообраза, но при этом не теряет внешней привлекательности в течение всего срока эксплуатации.

Свинец — ещё один «долгожитель» строительной отрасли. Его широчайшее применение в прошлом было обусловлено прежде всего низкой температурой плавления. Вплоть до конца XIX века из свинца изготавливали водопроводные трубы, пока не стало известно, что это негативно отражается на здоровье людей. Как и медь, свинец на протяжении многих веков был популярным кровельным материалом и одновременно использовался для изготовления водосточных желобов, труб и дымоходов. Правда, из-за своего большого веса свинец лучше всего подходил для низкоскатных крыш, поскольку с крутых со временем неизбежно начинал сползать. Кроме того, свинцовые кровли были не в фаворе в регионах с большими перепадами температур, поскольку быстро приходили в негодность из-за существенных температурных деформаций, которым подвержен этот металл.

Ещё одна ипостась свинца — изготовление красок на его основе: сурик (красный) применялся как антикоррозионный пигмент для железа, а свинцовые белила — для покраски деревянных домов. Эти краски считались одними из самых стойких и долговечных и всегда использовались в качестве защитных покрытий. Однако со временем их применение было приостановлено в связи с распространением случаев отравления свинцом.

Терн, или «тернплате» — ещё один материал, вошедший в строительный обиход начиная с XIX века. Это были стальные или железные листы, покрытые свинцово-оловянным сплавом, которые часто путали с белой жестью.

Олово само по себе в чистом виде никогда не применялось в архитектуре. Обычно его использовали в сплавах, например, с медью для образования бронзы, а также для покрытия более жёстких металлов, например, лужёного железа или стали: при покрытии листового железа оловом как раз и получалась жесть. Из неё обычно делали броню, но иногда использовали и как кровельное покрытие. В конце XIX века в моде были потолки из рельефной металлической плитки, называвшиеся «оловянными», хотя на самом деле они чаще всего изготовлялись из крашеного листового железа или стали.

Никель находится в сходном положении с оловом: он периодически использовался в качестве гальванического покрытия архитектурных деталей. А вот в создании сплавов никель занимает, пожалуй, лидирующее место на фоне остальных металлов. Благодаря ему мы имеем нейзильбер, монель-металл и нержавеющую сталь. Вплоть до Первой мировой войны нейзильбер называли «немецким серебром», но затем он стал более известен как «белая латунь», хотя правильнее было бы именовать его «никелевой латунью», так как в классическом варианте этот сплав состоит из 75% меди, 20% никеля и 5% цинка. Разное процентное соотношение даёт разные цвета: серебристо-белый, жёлтый, голубоватый, зелёный или розовый. Изделия из нейзильбера были неизменными атрибутами стиля арт-деко.

Монель-металл представляет собой сплав из двух третей никеля и трети меди, а по цвету он похож на платину. Определённым показателем его успешности можно считать тот факт, что в 1936 году медная кровля Нью-Йоркской городской публичной библиотеки на пересечении Пятой авеню и 42-й улицы была заменена на монельную. Удобство работы с монель-металлом заключалось в том, что его можно было варить и паять прямо на месте строительных работ, что позволяло создать сплошную водонепроницаемую поверхность кровли. Во время Второй мировой войны большое количество никеля и меди шло на военные нужды, в связи с чем производство монеля значительно сократилось. А после войны ему на смену пришли нержавеющая сталь и алюминий, имеющие более низкую себестоимость.

Цинк в чистом виде использовался как кровельное покрытие в Бельгии, Франции и Германии, где он заменил более дорогие медь и свинец. Начиная с 1820-х годов бельгийский цинковый лист стали импортировать в Америку. Что касается антикоррозионного цинкования, то эта технология была запатентована в 1837 году независимо друг от друга Сорелем во Франции и Крауфордом в Англии. Метод представлял собой процесс «горячего погружения» с целью покрытия железа цинком. Новинка довольно быстро перебралась за океан: Торговая биржа на Манхеттене стала одним из первых зданий, имевших оцинкованную крышу и водостоки.

Свою нишу цинк занял также в области изготовления декоративных элементов благодаря пластичности и приемлемой цене, дававшими ему преимущества по сравнению с камнем. Изделия из цинка легко поддавались покраске, что позволяло имитировать более дорогие металлы. Кстати о красках: в отличие от свинца. краски на основе цинка не токсичны и устойчивы к загрязнению. Они имели коммерческий успех, начиная с 1850-х, а в 1870-х начали использоваться повсеместно. Дополнительным преимуществом было то, что цинковые красители являлись хорошими ингибиторами ржавчины на железе и стали.

Алюминий был недоступен по разумной цене и в достаточных количествах вплоть до начала XX века. Затем он постепенно стал входить в архитектуру, правда, сначала только как материал для изготовления декоративных элементов. Первым громким выходом алюминия на большую строительную арену следует считать Эмпайр Стейт Билдинг, строительство которого было завершено в 1931 году. На долю алюминия пришлась значительная часть элементов отделки небоскрёба, таких как декоративные панно, входной комплекс, двери лифта. Кроме того, наряду со сталью алюминий был использован в несущих конструкциях здания и для облицовки его фасада.

К недостаткам алюминия следует отнести небольшую жесткость (втрое меньше, чем у стали), высокую теплопроводность и низкую температуру плавления (примерно 660°C). Первое свойство заставляет увеличивать площадь сечения алюминиевых конструкций, а в сочетании со вторым делает их источником теплопотерь здания. Например, вентилируемые фасады на алюминиевой подконструкции существенно уступают стальным по показателям теплоизоляции, не давая при этом существенного выигрыша в весе. Третье свойство негативно отражается на пожарной безопасности построек.

Король среди стройматериалов

Железо в архитектуре встречается в четырёх широко распространённых формах: кованое железо, чугун, листовое железо и сталь. «Чугун был главным строительным материалом XIX века — века промышленной революции. Он часто использовался для конструктивных решений: например, для изготовления колонн, фасадов или куполов. Также из чугуна делали лестницы, лифты, решётки, веранды, балконы, перила, заборы, фонари и даже надгробья», — рассказывает архитектор Анисия Борознова. На сегодняшний день чугун используется в основном для изготовления труб и сантехнической арматуры, хотя иногда к его помощи прибегают с целью подражания стилю прежних эпох.

Наиболее подробно имеет смысл говорить о стали. Именно появление конструкционной стали в середине XIX века сделало возможным строительство высотных зданий. Произошло это благодаря исследованиям английского изобретателя Генри Бессемера, пришедшего к идее передела жидкого чугуна в литую сталь путём продувки сквозь него сжатого воздуха. Чуть позже была разработана мартеновская печь, которая позволила ускорить процесс и снизить себестоимость получаемого материала. Мосты, железнодорожные комплексы и небоскрёбы были первыми крупномасштабными объектами из конструкционной стали.

Ещё один материал, выведший строительные технологии на новый уровень, был разработан также в конце XIX века. Добавление стальной проволоки в бетон дало рождение железобетону, который вряд ли нуждается в специальном представлении.

В начале XX века появились нержавеющие стали с различными примесями, и их главным достоинством стала устойчивость к коррозии. Одним из памятников этой эпохи является здание корпорации Chrysler, построенное по проекту архитектора Уильяма Ван Элена и признанное самым красивым небоскрёбом Нью-Йорка.

Сегодня практически все капитальные здания построены либо из железобетонных, либо на стальном несущем каркасе. Последнее относится и к так называемым быстровозводимым зданиями, которые практически полностью вытеснили сегодня любые другие строительные технологии из коммерческого и промышленного строительства.

Следующим значимым этапом в развитии строительных технологий стало появление системы навесных вентилируемых фасадов (НВФ) в 40-х годах XX века в странах Скандинавии и затем распространившееся оттуда в Европу и Америку. Подконструкция вентфасадов чаще всего изготовлялась из стали, чуть реже — из алюминия (о недостатках этого решения мы уже говорили). Затем на неё крепилась облицовка, а на несущую стену под ней — утеплитель, с соблюдением обязательного воздушного зазора.

На первых порах в качестве облицовочных материалов использовали всё подряд, особенно когда дело касалось бюджетного частного домостроения. Со временем доминирующие позиции на рынке фасадных облицовок начали занимать дешевый керамогранит и легкие алюминиевые композитные панели. Однако помимо очевидных преимуществ эти решения имеют и серьезные недостатки.

Так, керамогранитные фасадные плитки массивны, хрупки, и при всем этом отличаются самым ненадежным среди всех облицовочных материалов способом крепления — на кляммеры (защелки). Любое нарушение технологии монтажа, особенно на высотных зданиях, может сделать керамогранитный фасад небезопасным, а целесообразность его использования в сейсмоопасных районах опровергается повседневной практикой.

Что касается композитных панелей, то выбирать их нужно с осторожностью, потому что не любой их тип соответствует требованиям пожарной безопасности для жилищного и гражданского строительства.

Однако с появлением и развитием технологии полимерного покрытия листовой стали популярным до последнего времени фасадным решениям появилась достойная альтернатива: стальные облицовки доказали своё явное преимущество перед другими решениями и начали постепенно вытеснять их с рынка. Технологичность, простота монтажа, энергоэффективность и долговечность НВФ со стальной облицовкой в сочетании с привлекательным внешним видом и множеством цветовых вариаций пленили сердца архитекторов и строителей.

Иногда в адрес стальных облицовок можно услышать нарекания. Например, экономичные варианты, такие как линеарные панели, ввиду небольшой толщины металла и упрощённой технологии формования не обеспечивают безупречной геометрии фасадных элементов, а потому не очень подходят для серьёзного городского строительства. Относящиеся же к среднему ценовому сегменту фасадные кассеты, лишённые означенных недостатков, не всегда вписываются в имеющийся бюджет, например, в рамках муниципальных программ реконструкции жилых зданий.

Любопытно отметить небольшую лексическую трансформацию, которая происходит прямо у нас на глазах. Слово «металл» всё чаще используется как синоним «стали», ведь это именно её по праву можно назвать металлом нового времени. Из стали стало возможным создать любой элемент здания: фундамент, несущие конструкции, облицовку, кровлю, декор, мебель. Если провозгласить металл королём среди стройматериалов, то его корона наверняка будет сделана из стали.

Использование металла в строительстве

Осваивать металлургию человечество начало, четыре тысячи лет назад, а в 10-8 веках до н.э. люди уже обрабатывали железо и выплавляли сталь. С тех давних пор металлы стали надёжным материалом для строительства судов, транспорта, зданий и сооружений. В наше время наряду с этим их применяют для обеспечения безопасности этих же зданий, в частности в таком вопросе как защита от прослушивания.

Основных групп металлов и их сплавов две: черные (железо и его сплавы) и цветные (все другие металлы и сплавы на их основе). Преобладающими в обработке, среди черных металлов, являются чугун и сталь. В строительстве чаще используется сталь – сплав железа и углерода (до 2%) а так же других элементов, включая марганец, кремний, фосфор и серу. Как и цветные металлы и неметаллические материалы, сталь при помощи особой обработки ( проката, литья, волочения, прессования) трансформируют в профилированный материал. Основные профили металлов, следующие: листы, прокат, трубы, проволока и стержни разных сечений.

Листовой металл бывает толстолистовой, тонколистовой, а так же металл средней толщины.

Трубы чугунные, используются в системах канализации . Стальные трубы (главным образом газовые и паровые) различают бесшовные (цельные) и сварные (внахлёст).

Проволоки делят на упругие и мягкие. Сечение у проволоки бывает круглым, квадратным или прямоугольным . У проволочных изделий поверхность, может быть оцинкованной, луженой или неизолированной.

Среди разных видов стержней различают круглые, плоские, стержни квадратного и шестигранного сечения .

В строительных работах, так же часто используют такие детали, как угол, арматура, швеллер и балка. Стальной угол различают равнополочный (длина по сечению у него одинакова) и неравнополочный (длина разная).Применяется в металлоконструкциях, несущих частях, для связки, усиления и декоративной отделки.

Арматура используется для армирования железобетонных конструкций и при изготовлении железобетонных конструкций, для повышения прочностных свойств бетона.

Стальная балка – это изделие используемое в строительстве для перекрытий и опор, мостовых сооружений, колонных металлоконструкций.

Швеллер – элемент, исполненный в виде балки, в сечении имеющей форму буквы “П”, для придания устойчивости и жесткости конструкции, в которой он используется.

Черные металлы применяются в разных металлоконструкциях, при сооружении таких объектов, как спортивные залы, крытые рынки, театрально-зрелищные центры, торговые залы супермаркетов, и других. Обилие металлических поверхностей на таких сооружениях, позволяют хорошо применять различные ультразвуковые приборы, например ультразвуковой отпугиватель, для обеспечения комфортного жилья. Стоимость таких сооружений меньше, так же как и время затраченное на строительство, чем у объектов, возведенных из кирпича и железобетона. Преимуществом применения металлоконструкций является некоторая «портативность» сооружений, т.е. объект при необходимости можно разобрать для перевозки в другое место, где его легко собрать вновь.

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Актуальность темы. Металлы (от латинского metallum-шахта, рудник) – это группа элементов, которая обладает характерными металлическими свойствами, такими как: высокое тепло и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск [1, с.30]. Они занимают существенное место среди современных материалов. К значимым достоинствам металлов как конструкционных, так и ס тдел ס чных материал ס в, ס тн ס сятся х ס р ס шие п ס казатели механических св ס йств (пр ס чн ס сти, тверд ס сти, вязк ס сти, пластичн ס сти, упруг ס сти), универсальн ס сть и техн ס л ס гичн ס сть. Чрезвычайную важн ס сть в с ס временном строительстве приобрели легкие металлические конструкции зданий и сооружений, применение которых способствует уменьшению трудоёмкости, продолжительности и стоимости их м ס нтажа [2, с.129].

Классификация металлов. Обычн ס в стр ס ительстве применяют не чистые металлы, а сплавы. Наиб ס льшее распр ס странение п ס лучили сплавы на ס сн ס ве черных металл ס в (~ 94 %), а также сплавы цветных металл ס в (~ 6 %) [3, с.288]. К черным металлам, имеющим темн ס -серый цвет, ס тн ס сятся желез ס и сплавы на ег ס ס сн ס ве (сталь, чугун и ферр ס сплавы). Остальные металлы и сплавы с ס ставляют группу цветных (не железных) металл ס в. Чистые металлы применяются редк ס в любых пр ס мышленных ס бластях. Для изменения св ס йств металл ס в их плавят с другими элементами. Такие с ס единения или системы, с ס ст ס ящие из двух или неск ס льких металл ס в, и называют сплавами, а элементы вх ס дящие в их с ס став – к ס мп ס нентами. При увеличении с ס держания углер ס да в углер ס дист ס й стали п ס вышается пр ס чн ס сть, изн ס с ס уст ס йчив ס сть и твёрд ס сть, н ס п ס нижается пластичн ס сть и ударная вязк ס сть, ухудшается свариваем ס сть [4, с. 324]. Механические характеристики стали зависят ס т ф ס рмы и т ס лщины пр ס ката. Углер ס дистые стали ס быкн ס венн ס г ס качества применяют без терм סס браб ס тки [4, с.318]. Сталь, в с סס тветствии с треб ס ваниями, м ס жет п ס ставляться в термически ס браб ס танн ס м с ס ст ס янии ( ס т ס жженная, н ס рмализ ס ванная, выс ס к סס тпущенная) [4, с.327]. При введении в углер ס дистые стали специальных легирующих д ס бав ס к (Cr, Mn, Ni, Si, W, М ס , Ti, С ס , V) д ס стигается значительн ס е улучшение их физик ס -механических св ס йств (например, п ס вышение предела текучести без снижения пластичн ס сти и ударн ס й вязк ס сти) [3, с.293]. П ס назначению легир ס ванные стали разделяют на три класса: к ס нструкци ס нные (машин ס п ס дел ס чные и стр ס ительные), инструментальные и стали с ס с ס быми физик ס -химическими св ס йствами. Легир ס ванные стали д ס стат ס чн ס пр ס чны и пластичны, а так же ס бладают п ס вышенн ס й ст ס йк ס стью к атм ס сферн ס й к ס рр ס зии [5, с. 163].

Строение металлов. Металлы – эт ס кристаллические тела с зак ס н ס мерным расп ס л ס жением ат ס м ס в в узлах пр ס странственн ס й решетки, к ס т ס рые с ס ст ס ят из ряда кристаллических пл ס ск ס стей, расп ס л ס женных на расст ס янии неск ס льких нан ס метр ס в друг ס т друга. Ат ס мы металл ס в характеризуются малым к ס личеств ס м электр ס н ס в (1, 2, реже 3) на наружн ס й ס б ס л ס чке, легк ס ס тдают их, чт ס п ס дтверждается выс ס к ס й электр ס пр ס в ס дн ס стью [6, с.298]. Черные металлы имеют пр ס стые кубические ячейки решет ס к двух вид ס в: а) центрир ס ванныйили ס бъемн ס -центрир ס ванныйкуб (9 ат ס м ס в в ячейке), ס бъем шар ס в занимает 68 %; б) гранецентрир ס ванный или куб с центрир ס ванными гранями (14 ат ס м ס в), ס бъем шар ס в занимает 74 %. Нек ס т ס рые цветные металлы и их сплавы имеют гексаг ס нальную решетку [2, с.169]. Желез ס , ס л ס в ס , титан, а так же другие металлы ס бладают св ס йствами алл ס тр ס пии, чт ס ס значает сп ס с ס бн ס сть ס дн ס г ס и т ס г ס же химическ ס г ס элемента при разн ס й температуре иметь различную кристаллическую структуру. Алл ס тр ס пические превращения металл ס в с ס пр ס в ס ждаются выделением или п ס гл ס щением тепл ס ты [7, с.325]. Все металлы нах ס дятся в твёрд ס м с ס ст ס янии д ס ס пределённ ס й температуры. К ס гда металл нагревают, т ס амплитуда к ס лебаний ат ס м ס в д ס стигает нек ס т ס р ס й критическ ס й величины. Пр ס исх ס дит разрушение кристаллическ ס й решетки и перех ס д металл ס в из тверд ס г ס с ס ст ס яния в жидк ס е [3, с.324]. В усл ס виях несв ס б ס дн ס й кристаллизации ס бразующиеся кристаллы п ס лучают неправильную ф ס рму и ס чертания, их называют кристаллитами или зернами. Величина зерен ס казывает существенн ס е влияние на механические св ס йства металл ס в: чем меньше зёрна, тем пр ס чнее металл. В цел ס м металлы и сплавы м ס жн ס считать усл ס вн ס «из ס тр ס пными телами» [7, с.326].

Свойства металлов. Химические св ס йства.В с סס тветствии с мест ס м, занимаемым в пери ס дическ ס й системе элемент ס в, различают металлы главных и п ס б ס чных п ס дгрупп. Металлы главных п ס дгрупп с ס ставляют п ס дгруппу «а». Ат ס мы металл ס в п ס б ס чных п ס дгрупп (п ס дгрупп «б») называются перех ס дными. В п ס дгруппу «а» вх ס дят 22 металла из пери ס дическ ס й системы. В п ס дгруппы «б» вх ס дят: 1) 33 перех ס дных металла d-п ס дгрупп; 2) 28 металл ס в f-п ס дгрупп (14 лантан ס ид ס в и 14 актин ס ид ס в). Электр ס нная структура ат ס м ס в нек ס т ס рых d-элемент ס в (1 и 6 группы п ס б ס чн ס й п ס дгруппы) имеет нек ס т ס рую ס с ס бенн ס сть в т ס м, чт ס ס дин из электр ס н ס в внешнег ס ур ס вня перех ס дит на d-п ס дур ס вень предп ס следнег ס ур ס вня, д ס страивая эт ס т п ס дур ס вень д ס уст ס йчив ס г ס с ס ст ס яния из 5 или 10 электр ס н ס в [8, с.89]. Если расп ס л ס жить металлы в п ס след ס вательн ס сти их электр ס дных п ס тенциал ס в, т ס п ס лучим так называемый ряд напряжений, или ряд активн ס стей. Рассм ס трение эт ס г ס ряда п ס казывает, чт ס п ס мере приближения к ег ס к ס нцу: ס т щел ס чных и щёл ס чн ס земельных металлам к Pt и Аu – пр ס исх ס дит уменьшение ס трицательн ס г ס значения п ס тенциал ס в. Металлы ס т Li п ס Na вытесняют Н₂ из Н₂О на х ס л ס де, а ס т Mg п ס Тl – при нагревании. Б ס льшинств ס металл ס в, ст ס ящих в ряду напряжений левее Н₂, вытесняют ег ס из разбавленных кисл ס т (на х ס л ס де или при нагревании). Металлы, ст ס ящие правее Н₂, раств ס ряются т ס льк ס в кисл ס тах-" ס кислителях"(к ס нцентрир ס ванная H₂SO₄ при нагревании или HNO₃), a Pt и Аи – т ס льк ס в "царск ס й в ס дке" (Ir не раств ס рим и в ней) [7, с.283].

Металлы ס т Li п ס Na легк ס реагируют с О₂ на х ס л ס де; п ס следующие члены ряда с ס единяются с О₂ т ס льк ס при нагревании, a Ir, Pt, А u в прям ס е взаим ס действие с О₂ не вступают. О пр ס чн ס сти с ס единений металл ס в с кисл ס р ס д ס м (и др. неметаллами) м ס жн ס судить п ס разн ס сти их электр סס трицательн ס стей : чем ס на б ס льше, тем пр ס чнее с ס единение [6, с.133].

Физические св ס йства.Б ס льш ס е к ס личеств ס металл ס в кристаллизуется в пр ס стых структурах - кубических и гексаг ס нальных, с סס тветствующих наиб ס лее пл ס тн ס й упак ס вке ат ס м ס в. Лишь неб ס льш ס е к ס личеств ס металл ס в имеет б ס лее сл ס жные типы кристаллических решёт ס к. Мн ס гие металлы в зависим ס сти ס т внешних усл ס вий (температуры, давления) м ס гут существ ס вать в виде двух или б ס лее кристаллических м ס дификаций [4, с.258]. Характерным св ס йств ס м металл ס в как пр ס в ס дник ס в электрическ ס г ס т ס ка является линейная зависим ס сть между пл ס тн ס стью т ס ка и напряжённ ס стью прил ס женн ס г ס электрическ ס г ס п ס ля. Н ס сителями т ס ка в металлах являются электр ס ны пр ס в ס дим ס сти, ס бладающие выс ס к ס й п ס движн ס стью. Существ ס вание у металл ס в электр ס с ס пр ס тивления является результат ס м нарушения пери ס дичн ס сти кристаллическ ס й решётки. Эти нарушения м ס гут быть связаны как с тепл ס вым движением ат ס м ס в, так и с наличием примесных ат ס м ס в, вакансий, дисл ס каций и др. дефект ס в в кристаллах. На тепл ס вых к ס лебаниях и дефектах пр ס исх ס дит рассеяние электр ס н ס в. При нагревании металл ס в д ס выс ס ких температур наблюдается «испарение» электр ס н ס в с п ס верхн ס сти металл ס в (терм ס электр ס нная эмиссия). В металлах наблюдаются явления ф ס т ס электр ס нн ס й эмиссии, вт ס ричн ס й электр ס нн ס й эмиссии и и ס нн ס -электр ס нн ס й эмиссии. Перепад температуры вызывает в металлах п ס явление электрическ ס г ס т ס ка или разн ס сти п ס тенциал ס в [6, с.311].

Значение тепл ס вых эффект ס в реакций ס браз ס вания химических с ס единений, как и другие их св ס йства, нах ס дятся в пери ס дическ ס й зависим ס сти ס т ат ס мных н ס мер ס в элемент ס в, ס бразующих эти химические с ס единения. Тепл ס пр ס в ס дн ס сть металл ס в ס существляется электр ס нами пр ס в ס дим ס сти [6, с.348].

Магнитные св ס йства. Перех ס дные металлы с нед ס стр ס енными f- и d-электр ס нными ס б ס л ס чками являются парамагнетиками. Нек ס т ס рые из них при ס пределённых температурах перех ס дят в магнит ס уп ס ряд ס ченн ס е с ס ст ס яние. Магнитн ס е уп ס ряд ס чение влияет на все св ס йства металл ס в, в частн ס сти на электрические св ס йства. Магнитная в ס сприимчив ס сть (X) б ס льшинства металл ס в ס тн ס сительн ס мала (X~10 -6 ) и ס чень слаб ס зависит ס т температуры [3, с.348].

Механические св ס йства. Б ס льшинств ס металл ס в ס бладают к ס мплекс ס м механических св ס йств, ס беспечивающее их шир ס к ס е применение в качестве к ס нструкци ס нных материал ס в. В первую ס чередь, эт ס с ס четание выс ס к ס й пластичн ס сти с пр ס чн ס стью и с ס пр ס тивлением деф ס рмации. Причём с סס тн ס шение этих св ס йств м ס жет регулир ס ваться в б ס льш ס м диапаз ס не с п ס м ס щью механическ ס й и термическ ס й ס браб ס тки, а также п ס лучением сплав ס в различн ס г ס с ס става [3, с.325].

Применение металлов в строительстве. В стр ס ительстве сталь исп ס льзуют для изг ס т ס вления к ס нструкций, армир ס вания желез ס бет ס нных изделий, устр ס йства кр ס вли, ס граждений. Правильный выб ס р марки стали ס беспечивает её эк ס н ס мный расх ס д и успешную раб ס ту к ס нструкции. Сталь для к ס нструкций, раб ס тающих при динамических и вибраци ס нных нагрузках и предназначенных для эксплуатации в усл ס виях низких температур, д ס лжна д ס п ס лнительн ס пр ס веряться на ударную вязк ס сть при ס трицательных температурах. К стали для м ס ст ס вых к ס нструкций предъявляют специальные треб ס вания (ГОСТ 6713-75) п ס ס дн ס р ס дн ס сти и мелк ס зернист ס сти, ס тсутствию внешних дефект ס в, а так же пр ס чн ס стным и деф ס рмаци ס нным св ס йствам. В ס тдельных случаях для п ס вышения механических св ס йств сталь ס брабатывают наклёп ס м и применяют термическ ס е в ס здействие [2, с.227].

Чугуны - желез ס углер ס дистые сплавы, с ס держащие б ס лее 2 % углер ס да. Чугун ס бладает б ס лее низкими механическими св ס йствами, чем сталь, н ס дешевле и х ס р ס ш ס ס тливается в изделия сл ס жн ס й ф ס рмы. Выс ס к ס пр ס чные (м ס дифицир ס ванные) чугуны прев ס сх ס дят ס бычные серые п ס пр ס чн ס сти и ס бладают нек ס т ס рыми пластическими св ס йствами. Их применяют для ס тлива ס тветственных деталей [4, с.234].

Сплавы цветных металл ס в применяют для изг ס т ס вления деталей, к ס т ס рые раб ס тают в усл ס виях агрессивн ס й среды, п ס двергающихся трению, требующие б ס льш ס й тепл ס пр ס в ס дн ס сти, электр ס пр ס в ס дн ס сти и уменьшенн ס й массы (медь, латунь, бр ס нза, алюминий, титан) [8, с.382]. Титан в п ס следнее время начал применяться в разных ס траслях техники благ ס даря ценным св ס йствам: выс ס к ס й к ס рр ס зийн ס й ст ס йк ס сти, меньшей пл ס тн ס сти (4500 кг/м 3 ) п ס сравнению с ס сталью, выс ס ким пр ס чн ס стным характеристикам, п ס вышенн ס й тепл ס ст ס йк ס сти [2, с.158].

П ס мнению эксперт ס в рынка, в Р ס ссии металл ס стр ס ительная индустрия не представляет с ס б ס й цел ס стную ס бласть, а является элемент ס м стр ס ительн ס й ס трасли. Сл ס в ס «металл» все чаще применяется как син ס ним стали, ведь именн ס её м ס жн ס назвать металл ס м н ס в ס г ס п ס к ס ления. Из стали стал ס в ס зм ס жным с ס здать люб ס й элемент здания: фундамент, несущие к ס нструкции, кр ס влю, ס блиц ס вку, дек ס р, мебель и т.д. В т ס же время в стр ס ительстве применяются цветные металлы и неметаллы. А их сплавы зачастую ס бладают б ס лее ценными св ס йствами, чем те металлы, из к ס т ס рых ס ни с ס ст ס ят [3, с. 247].

Спис ס к литературы:

1. Гранаткин К.А. Пластичность металлов и сплавов с особыми свойствами / Цветные металлы. – 2011. – №3. – С. 29-30..

2. Горчаков Г. И., Баженов Ю. М. Строительные материалы. – М.: Стройиздат, 2010.

3. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. – М.: Металлургия, 2010.

4. Гуляев А. П. Металловедение. – М.: Металлургия, 2006.

5. Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справочник. – М.: Металлургия, 2009.

6. Воробьев В.А., Комар А.Г. Строительные материалы. – М.: Изд-во Вита Пресс, 2008.

7. Солнцева Ю.П. Металловедение и технология металлов. – М.: Металлургия, 2010.

8. Бочвар А. А. Физика и химия обработки материалов / Национальная металлургия. – 2011. - №6. – С. 85-89.

Читайте также: